Os ânodos para a divisão eletrolítica da água são geralmente materiais à base de irídio. Para aumentar a estabilidade do catalisador de irídio, uma equipe da HZB e um grupo da HI-ERN produziram agora a chamada biblioteca de materiais:uma amostra na qual a concentração de óxidos de irídio e titânio é sistematicamente variada.



As análises dos segmentos individuais da amostra no BESSY II no laboratório EMIL mostraram que a presença de óxidos de titânio pode aumentar significativamente a estabilidade do catalisador de irídio.

Uma opção para armazenar energia solar ou eólica é a produção de hidrogênio “verde” por eletrólise. O hidrogênio armazena energia na forma química e a libera novamente quando queimado, não produzindo gases de exaustão, apenas água. Hoje, o irídio é o catalisador de última geração para esta reação. No entanto, o irídio se dissolve cada vez mais no ambiente ácido da célula de eletrólise, de modo que o efeito catalítico diminui rapidamente.

“Queríamos investigar se a estabilidade do catalisador pode ser melhorada adicionando diferentes proporções de óxido de titânio”, diz o Prof Dr. Marcus Bär (HZB). Embora o óxido de titânio não seja cataliticamente ativo, é muito estável. "Tivemos algumas indicações de que a presença de óxido de titânio teria um efeito positivo na estabilidade sem influenciar o efeito catalítico do irídio. Mas também queríamos descobrir se existe uma proporção de mistura ideal."

A amostra como biblioteca de materiais

A amostra foi produzida no Instituto Helmholtz Erlangen-Nuremberg para Energias Renováveis ​​(HI-ERN) pela equipe da Profa Dra. Olga Kasian, pulverizando titânio e irídio com composições que variam localmente. É uma chamada biblioteca de materiais de película fina na qual o teor de irídio varia de 20% a 70%.

Em BESSY II; a equipe usou métodos espectroscópicos de raios X para analisar como a estrutura química muda dependendo do conteúdo de irídio das amostras mistas de irídio-óxido de titânio. Vários efeitos desempenharam um papel aqui:por exemplo, a presença de subóxidos de titânio (como TiO e TiO_x ) melhorou a condutividade do material.

Outro resultado interessante foi que alguns dos óxidos de titânio se dissolvem mais rapidamente no eletrólito aquoso do que o irídio, criando microporos na superfície. Isto promoveu a reação de evolução do oxigênio porque mais átomos de irídio das camadas inferiores entraram em contato com o eletrólito.

O principal efeito, entretanto, é que os óxidos de titânio (TiO₂ , bem como TiO e TiO_x ) reduzem significativamente a dissolução do irídio. "Na amostra com 30% de titânio adicionado em comparação com um material de eletrodo de irídio puro, vimos uma resolução de irídio aproximadamente 70% menor", diz Marianne van der Merwe, que realizou as medições como parte de seu doutorado com Marcus Bär.

Alta relevância para uso prático

Mas quão relevantes são esses resultados de pesquisas laboratoriais para a indústria? “Se já existem tecnologias estabelecidas, é sempre difícil mudar alguma coisa no início”, diz Marcus Bär. "Mas aqui mostramos como a estabilidade dos ânodos pode ser aumentada significativamente com um esforço administrável."

O estudo foi publicado na revista ACS Catalysis .

Mais informações: Marianne van der Merwe et al, The Chemical and Electronic Properties of Stability-Enhanced, Mixed Ir-TiOx Oxygen Evolution Reaction Catalysts, ACS Catalysis (2023). DOI:10.1021/acscatal.3c02948
Informações do diário: Catálise ACS

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